Исследование экологического состояния участка реки и анализ русловых переформирований
Формула В. Н. Гончарова,
которая по данным исследований ЛИВТа даёт на песчаных перекатах наилучшие
результаты
Vнр = 3,9 * (d * h / d95)0,2(d + 0,0014)0,3,
где h – глубина потока, м;
d – средний диаметр донных частиц, м;
d95 – диаметр частиц с обеспеченностью
95% по кривой гранулометрического состава, т.е. такой диаметр, который
оказывается превзойдённым лишь у 5% частиц, м.
Vнр = 3,9 * (0,00048*1,91 / 0,00066)0,2
* (0,00048 + 0,0014)0,3 = 0,632 м/с
Скорость течения Vр, при которой движение донных наносов становится
массовым, называется размывающей. Соотношение между размывающей и неразмывающей
скоростями равно 1,30
Vр = 1,30 * Vнр, м/с,
Vр = 1,30 * 0,632 = 0,822 м / с
Вывод:
Средняя скорость меньше
размывающей скорости (0,34 м/с < 0,822 м/с), следовательно размыва дна в
потоке не будет.
8.2 Исследование влияния на речной
поток центробежных сил инерции на поворотах русла
При изменении направления
потока возникают центробежные силы инерции, направленные по нормали к
криволинейным линиям тока. Они приводят к образованию поперечного уклона Iпоп, направленного от вогнутого берега к
выпуклому, и поперечных составляющих скорости, перпендикулярных к основному
направлению стока вод.
Поперечный уклон определяется по формуле:
,
где r – гидравлический радиус (снимается с
плана), м
Превышение уровня воды у
вогнутого берега над выпуклым определяется произведением поперечного уклона на
ширину русла:
H = Iпоп * B,
где B – ширина русла, м
H =0,0000098 * 250 = 0,00245 м
Для определения величины
поперечной составляющей скорости Vпоп. на вертикали, находящейся на
повороте русла применяется формула К.И. Россинского и И.А. Кузьмина
Vпоп = [(1,53 * С2 * Vср * h) / (g * r)] * (y1/h)0,15 * [(y1/h)0,3 – 0,80], м/с,
где y1 – высота точки над дном, м;
h – глубина потока, м.
1)(y1/h) = V0,02 = [(1,53 * 37,4822 *
0,34 * 1,91) / (9,8 * 2250)] * (0,02)0,15 * [(0,02)0,3 –
0,80] = -0,017 м/с
2)(y1/h) = V0,2 = [(1,53 * 37,4822 *
0,34 * 1,91) / (9,8 * 2250)] * (0,2)0,15 * [(0,2)0,3 –
0,80] = -0,009 м/с
3)(y1/h) = V0,4 = [(1,53 * 37,4822 *
0,34 * 1,91) / (9,8 * 2250)] * (0,4)0,15 * [(0,4)0,3 –
0,80] = -0,002 м/с
4)(y1/h) = V0,6 = [(1,53 * 37,4822 * 0,34
* 1,91) / (9,8 * 2250)] * (0,6)0,15 * [(0,6)0,3 – 0,80] =
0,003 м/с
5)(y1/h) = V0,8 = [(1,53 * 37,4822 *
0,34 * 1,91) / (9,8 * 2250)] * (0,8)0,15 * [(0,8)0,3 –
0,80] = 0,008 м/с
6)(y1/h) = V1,0 = [(1,53 * 37,4822 *
0,34 * 1,91) / (9,8 * 2250)] * (1,0)0,15 * [(1,0)0,3 –
0,80] = 0,0126 м/с
Строим эпюру скоростей течения от действия центробежной силы
(см. рис. 8.3: а).
8.3 Исследование влияния на речной
поток отклоняющей силы вращения Земли
Из теоретической механики известно, что всякое тело,
движущееся по поверхности Земли с некоторой скоростью, испытывает ускорение,
называемое кориолисовым.
В северном полушарии сила
Кориолиса направлена вправо под прямым углом к движению тела, а в южном –
влево. Под её действием в реках северного полушария частицы воды отклоняются к
правому берегу и создают превышение уровня воды у правого берега по сравнению с
левым, а в южном-наоборот. Что, в свою очередь, приводит к возникновению в
северном полушарии поперечной циркуляции с направлением поверхностных слоёв
воды к правому берегу, а донных-к левому. Совместно с продольным течением
жидкости поперечная циркуляция образуется в потоке спиралеобразное движение. В
северном полушарии циркуляция направлена по часовой стрелке, если смотреть по
течению, и осуществляется как на прямолинейных участках русла, так и на
поворотах. На поворотах русла влево она складывается с циркуляцией, вызываемой
центробежной силой, а на поворотах вправо она уничтожается, ослабляя действие
более мощной циркуляции, имеющей противоположное вращение и возникающей под
действием центробежной силы.
Рассматриваемая поперечная циркуляция наиболее интенсивно
проявляется на больших реках в период половодья, так как и скорости течения и
масса воды в этот период наибольшие.
Поверхность воды на
прямолинейном участке потока устанавливается нормально к равнодействующей силы
Кориолиса и силы тяжести.
Iк = (0,0001456 * Vср * sin) / g,
где - географическая широта, на которой
расположен исследуемый участок реки, в град. (в нашем случае = 63° С. Ш.).
Iк = (0,0001456 * 0,34 * sin63°) / 9,8 = 0,0000045
Превышение уровня воды у
вогнутого берега над выпуклым определяется произведением поперечного уклона на
ширину русла:
H = Iк * B,
где B – ширина русла, м
H = 0,0000045*250=0,001125
Для определения
поперечной составляющей Vк скорости (на вертикали), возникающей
под действием силы Кориолиса, К. И. Россинский и И. А. Кузьмин предложили
следующую формулу
Vк = (2,65 * w * С2 * h * sin) * (y1/h)0,15 * [(y1/h)0,65 – 0,89], м/с,
где w – угловая скорость вращения Земли,
выраженная в радианах в секунду
(w = 2 * p / (24 * 3600) = 0,0000728 рад/с)
1) (y1/h) = V0,02
= (2,65 * 0,0000728 * 37,4822 * 1,91 * sin63°) * (0,02)0,15 *
[(0,02)0,65 – 0,89] = -0,194 м/с
2) (y1/h) = V0,2 =
(2,65 * 0,0000728 * 37,4822 * 1,91 * sin63°) * (0,2)0,15 * [(0,2)0,65
– 0,89] = -0,183 м/с
3) (y1/h) = V0,4 =
(2,65 * 0,0000728 * 37,4822 * 1,91 * sin63°) * (0,4)0,15 * [(0,4)0,65
– 0,89] = -0,127 м/с
4) (y1/h) = V0,6 =
(2,65 * 0,0000728 * 37,4822 * 1,91 * sin63°) * (0,6)0,15 * [(0,6)0,65
– 0,89] = -0,069 м/с
5) (y1/h) = V0,8 =
(2,65 * 0,0000728 * 37,4822 * 1,91 * sin63°) * (0,8)0,15 * [(0,8)0,65
– 0,89] = -0,013 м/с
6) (y1/h) = V1,0 =
(2,65 * 0,0000728 * 37,4822 * 1,91 * sin63°) * (1,0)0,15 * [(1,0)0,65
– 0,89] = 0,047 м/с
По полученным данным Vпоп и Vк строим эпюры Vпоп и Vк и суммарную эпюру поперечной циркуляции (от действия
сил центробежной и Кориолиса) (см. рисунок 8.3).
8.4 Определение расхода воды и
расхода взвешенных наносов в поперечном сечении русла
Для верхнего сечения исследуемого участка определяется расход
воды и расход взвешенных наносов аналитическим методом.
Порядок выполнения
работы:
1)
Вычисляются
скорости течения воды в каждой из пяти точек на пяти скоростных вертикалях и
определяются средние скорости на каждой вертикали ( см. таблицу 8.1.)
n - число оборотов лопасти вертушки в
1 секунду
n = N / t, об/с, где:
N – сумма оборотов лопасти вертушки,
об
t – время измерения, с
Вычисляются скорости во
всех точках на вертикалях по уравнению вертушки
v = a + b * n, м/с, где:
a и b – коэффициенты уравнения вертушки (a = 0,036; b = 0,755)
Средняя скорость на
каждой вертикали вычисляется по формуле
Vср = 0,1 * (Vпов + 3 * V0,2 + 3 * V0,6 + 2 * V0,8 + Vдно), м/с
2)
Производится
аналитическое вычисление расхода воды и площади живого сечения (по таблице 8.2)
Средние скорости течения
между вертикалями определяются
viср. = (vср. i-1 + vср. i) / 2,
где vср. i-1 + vср. i – средние скорости на смежных вертикалях.
При этом для первой и
последней частей живого сечения средняя скорость определяется умножением
средней скорости на ближайшей вертикали на коэффициент, учитывающий
распределение скоростей течения у берегов (в нашем случае принимаем коэффициент
за 0,7).
Расходы воды через части
живого сечения вычислим по формуле
qi
= wi * viср., м3/с.
Общий расход воды
определяется по формуле
Q = , м3/с.
Общая площадь живого
сечения определяется по формуле
W = , м2.
3)
По полученным
данным дополнительно вычислим:
а) среднюю скорость в
живом сечении
Vср. = Q / W, м/с
б) среднюю глубину живого
сечения
hср. = W * B, м,
где B – ширина русла.
Вычисление расхода взвешенных наносов аналитическим способом:
Порядок выполнения:
1)
Определяются
мутность и единичные расходы взвешенных наносов в каждой точке отбора проб,
затем вычисляются аналитическим способом средние единичные расходы наносов на
каждой вертикали. При этом принимается, что пробы на мутность отбирались в тех
же точках, в которых проводилось измерение скоростей течения. Вычисления
производятся в таблице 8.3.
Величины мутностей в
точках отбора проб r определяются
делением весового количества наносов на объём пробы
, г/м3,
где P – вес наносов, г;
А – объём пробы, см3.
Единичные расходы наносов
в точках вычисляются по формуле:
= v * , г/(м2*с),
где v – скорость течения в точке, м/с;
- мутность в той же точке, г/м3.
Средний единичный расход
наносов на вертикали определяются по формуле:
,
г/(м2 * с)
2) По полученным данным аналитическим способом вычисляется
общий расход взвешенных наносов по таблице 8.4:
Общий расход взвешенных
наносов определяется по формуле:
R = , кг/с,
где ri – расходы наносов через части живого
сечения между смежными вертикалями.
Средние единичные расходы наносов между вертикалями
определяются по формуле
= , кг/с,
где - средние единичные расходы наносов
на смежных вертикалях (см. таблица 8.3).
Для первой и последней частей живого сечения средний
единичный расход определяется умножением среднего единичного расхода на
ближайшей вертикали на коэффициент 0,7.
Расходы наносов через
части живого сечения вычисляются по формуле
ri = wi * / 103, кг/с
3) по полученным данным
вычислим среднюю мутность в сечении
= 1000 * R / Q, г/м3,
где R – расход взвешенных наносов, кг/с;
Q – расход воды, вычисленный
аналитическим методом, м3/с.
Таблица 8.1 – Вычисление скоростей в точках живого сечения
Номер вертикали
|
Расстояние от постоянного начала li, м
|
Глубина на вертикали hi, м
|
Точки измерения на вертикали
|
Суммарное число оборотов в точке, N, об.
|
Время измерения в точке, t, с
|
Число оборотов в 1 секунду n = N / t
|
Скорость течения в точке, м/с,
v = a + b * n
|
Средняя скорость течения на вертикали, Vср. i, м/с
|
1
|
25
|
1
|
Поверхность
|
120
|
163
|
0,74
|
0,59
|
0,52
|
0,2
|
120
|
167
|
0,72
|
0,58
|
0,6
|
80
|
116
|
0,68
|
0,55
|
0,8
|
80
|
148
|
0,54
|
0,44
|
Дно
|
60
|
144
|
0,42
|
0,35
|
2
|
75
|
3,6
|
Поверхность
|
140
|
145
|
0,97
|
0,77
|
0,64
|
0,2
|
140
|
149
|
0,94
|
0,75
|
0,6
|
100
|
128
|
0,78
|
0,62
|
0,8
|
100
|
153
|
0,65
|
0,53
|
Дно
|
80
|
160
|
0,50
|
0,41
|
3
|
225
|
1
|
Поверхность
|
140
|
136
|
1,03
|
0,81
|
0,72
|
0,2
|
140
|
137
|
1,02
|
0,81
|
0,6
|
120
|
130
|
0,92
|
0,73
|
0,8
|
100
|
126
|
0,79
|
0,63
|
Дно
|
80
|
134
|
0,60
|
0,49
|
Таблица 8.2 – Вычисление расхода воды аналитическим способом
Номер вертикали
|
Расстояние от
постоянного начала li, м
|
Глубина на вертикали hi, м
|
Площадь сечения между
вертикалями wi,
|
Средняя скорость
|
Расход между
вертикалями qi,
м3/с
|
|
На вертикали Vср.i, м/c
|
Между вертикалями , м/с
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
|
Урез левого берега
|
0
|
0
|
12,5
|
|
0,36
|
4,5
|
|
1
|
25
|
1
|
0,52
|
|
110,4
|
0,58
|
64,03
|
|
2
|
75
|
3,6
|
0,64
|
|
340,4
|
0,68
|
231,47
|
|
3
|
225
|
1
|
0,72
|
|
14
|
0,5
|
7
|
|
Урез правого берега
|
248
|
0
|
|
|
W=
|
Q=
|
|
|
Vср=0,64
hср=1,91
|
|
|
Таблица 8.3 – Вычисление мутностей и единичных расходов
взвешенных наносов в точках живого сечения
Номер вертикали
|
Расстояние от постоянного начала li, м
|
Глубина на вертикали
hi, м
|
Точки измерения на вертикали
|
Скорость течения в точке, v, м/с
|
Объём пробы, A, см3
|
Вес наносов в пробе, P, г
|
Мутность в точке, , г/м3
|
Единичный расход наносов в точке, ,
г/(м2 с)
|
Сред. ед. расход наносов на верт.,
|
1
|
25
|
1
|
Поверхность
|
0,59
|
3000
|
0,054
|
18
|
10,62
|
10,26
|
0,2
|
0,58
|
3000
|
0,052
|
17,3
|
10,03
|
0,6
|
0,55
|
3000
|
0,057
|
19
|
10,45
|
0,8
|
0,44
|
3000
|
0,066
|
22
|
9,68
|
Дно
|
0,35
|
3000
|
0,096
|
32
|
11,2
|
2
|
75
|
3,6
|
Поверхность
|
0,77
|
3000
|
0,067
|
22,3
|
17,17
|
14,80
|
0,2
|
0,75
|
3000
|
0,067
|
22,3
|
16,73
|
0,6
|
0,62
|
3000
|
0,071
|
23,7
|
14,69
|
0,8
|
0,53
|
3000
|
0,073
|
24,3
|
12,88
|
Дно
|
0,41
|
3000
|
0,079
|
26,3
|
10,78
|
3
|
225
|
1
|
Поверхность
|
0,81
|
3000
|
0,071
|
23,7
|
19,19
|
17,64
|
0,2
|
0,81
|
3000
|
0,066
|
22
|
17,82
|
0,6
|
0,73
|
3000
|
0,072
|
24
|
17,52
|
0,8
|
0,63
|
3000
|
0,085
|
28,3
|
17,83
|
Дно
|
0,49
|
3000
|
0,095
|
31,7
|
15,53
|
Таблица 8.4 – Вычисление расхода взвешенных наносов в живом
сечении русла
№ № вертикалей
|
Расстояние от постоянного начала li, м
|
Глубина
на вертикали hi, м
|
Средний единичный расход наносов на вертикали, , г/(м2 с)
|
Средний единичный расход наносов между вертикалями , г/(м2 с)
|
Площадь сечения между вертикалями wi, м2
|
Расход наносов между вертикалями ri, кг/с
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
Урез левого берега
|
0
|
0
|
|
|
|
|
1
|
25
|
1
|
10,26
|
7,18
|
12,5
|
0,09
|
2
|
75
|
3,6
|
14,80
|
12,53
|
110,4
|
1,38
|
3
|
225
|
1
|
17,64
|
16,22
|
340,4
|
5,52
|
Урез правого берега
|
248
|
0
|
|
8,82
|
14
W = 477,3
|
0,12
R = 7,11
|
Средняя мутность в
сечении
=
1000 * 7,11 / 307 = 23,15 г/м3
9. Анализ русловых
переформирований
9.1 Построение
сопоставленных планов
На планах выбираются
одноимённые реперы или постоянные пункты плановой опорной сети и отметим их на
координатной сетке, при этом они должны занимать одинаковое плановое положение
относительно координатных осей. После этого переносятся изобаты, линия судового
хода, судоходные прорези, линии урезов, знаки судоходной обстановки и т.д.
На планах подписываем
названия населённых пунктов, пристаней, перекатов, проток, притоков, островов;
укажем направление течения (см. рисунок 9.1).
9.2 Построение
совмещённых планов
Относительно постоянных точек плановой опорной сети
проводятся линии берега, нулевые изобаты и изобаты гарантированной глубины.
Совмещение планов по большему числу изобат не рекомендуется, т.к. этим полнота
анализа не повышается, а чтение таких планов осложняется. При этом, чтобы
удобнее выполнять анализ русловых деформаций, съёмки разных лет оформляются
разными цветами, и изобаты гарантированной глубины рисуются пунктирной линией,
а нулевые изобаты – сплошной линией. По расположению изобат определяются зоны
размыва и намыва, которые заштриховываются в соответствии с условными
обозначениями, представленными на чертеже (см. рисунок 9.2).
9.3 Анализ русловых
деформаций
На затруднительных участках, в особенности в разветвлённых
руслах, анализ многолетних русловых переформирований имеет определяющее
значение для выбора варианта конкретного улучшения. На основе такого анализа
определяется ведущий берег, а также выбирается направление судового хода и
трассы.
При анализе
переформирований русла необходимо не только зафиксировать его определённые
изменения, но также выявить причины этих изменений и их закономерности. Анализ
переформирований на затруднительном участке проводится по возможности в две
стадии:
1) выявление общих тенденций развития
русла на участке за длительный период времени;
2) детальный анализ переформирования
отдельных элементов русла за последние два года.
На основе анализа в первом приближении определяется ведущий
берег или ведущие берега.
Анализ сопоставленных
планов съёмок проводим с помощью координатной сетки, которая даёт возможность
исследовать для меандрирующих русел за интервал времен скорости размыва
вогнутых и намыва выпуклых берегов; для русел побочневого типа определяется
скорость перемещения побочней и осерёдков; на разветвлённых участках
устанавливается зависимость интенсивности развития рукавов во времени.
По совмещённым планам
устанавливаются:
1) недеформирующиеся части русла;
2) части русла, деформирующиеся примерно
с одинаковой интенсивностью и в одном направлении;
3) части русла, деформации которых
систематически меняются по интенсивности и по направлению;
4) интенсивность размыва вогнутых и
нарастания выпуклых берегов, особенно в меандрирующих руслах, а также характер
развития этого процесса во времени;
5) средние скорости движения побочней и
осерёдков, особенно на участках с побочневым русловым процессом.
При наличии данных геологического строения участка
совмещённые и сопоставленные планы анализируются одновременно с изучением
геологического строения берегов русла и поймы, т.к. разница в многолетних
переформированиях затруднительных участков является, главным образом,
следствием двух факторов: особенностей планового очертания русла и геологии
поймы.
В результате анализа
сопоставленных и совмещённых планов устанавливаются общие тенденции развития
русла по его длине, определяются направление и интенсивность деформаций по
частям участка, даётся описание и размеры зон размывов и намывов правого и
левого берегов.
Анализ сопоставленных планов
На участке 1064-1066 км по правому берегу на повороте
увеличивается зона размыва, по левому берегу зона намыва. Осерёдок на 1066,7-1067,3
км смещается ниже по течению на 25 – 30 метров. Скорость перемещения осерёдка
около 25-30 м/10 лет, аналогичная скорость при размыве и намыве берегов
осерёдка; А также на 1069,5-1070,3 км. увеличивается зона размыва по левому
берегу, а на правом берегу происходит намыв берега.
Анализ совмещённых планов
На участке 1071-1073 км берега не деформировались, а на всех
остальных участках происходит деформация берегов примерно с одинаковой
интенсивностью. А именно 1064-1066 км по правому берегу образовалась зона
размыва, а по левому зона намыва и на 1069,5-1070,3 км по левому берегу зона
размыва, по правому зона намыва.
Заключение
Мы провели анализ русловых деформаций по
сопоставленным и совмещённым планам, построили продольный профиль по оси судового
хода, исследовали скоростной режим участка съёмки и сделали анализ
экологического состояния рассматриваемого участка реки с учётом влияния
господствующих ветров.
Список используемой литературы
1)
Шамова В.В.
“Методические указания по курсовой работе для студентов специальности КИОВР
гидротехнического факультета “Водные изыскания и исследования”, НГАВТ, г.
Новосибирск – 99
2)
Шамова В.В.,
Бортникова К.С. “Альбом планов участков реки Вилюй. Методические указания по
выполнению курсовой работы по дисциплине “Русловые изыскания”, НГАВТ, г.
Новосибирск - 08
Страницы: 1, 2, 3, 4
|
|